Сущность холодной пластической деформации металлов

Обработка металлов давлением в холодном состоянии основана на использовании их пластических свойств, т.е. способности в определенных условиях иметь под влиянием внешних сил, действующих статически или динамически, остаточные деформации без нарушения целостности. Заготовке придаются требуемые форма, размер и шероховатость поверхности за счет перераспределения ее элементарных объемов. При этом исходный объем заготовки остается постоянным. Одновременно с пластической деформацией металла здесь имеет место и упругая деформация.

Механизм упругой и пластической деформации объясняется современной теорией следующим образом. В зависимости от величины прилагаемого усилия происходит лишь временное изменение межатомных расстояний в объемной кристаллической решетке обрабатываемого металла или внутрикристаллические и межкристаллические сдвиги. Если деформация носит временный характер и при удалении действующей нагрузки полностью исчезает, то тело принимает исходную форму. Когда прилагаемые силы достигают определенного значения, помимо упругой деформации появляется пластическая (остаточная) деформация, сохраняющаяся после удаления усилия, и тело приобретает новую форму.

Пластическая деформация, внешним проявлением которой является необратимое изменение формы и размеров металлического тела без нарушения его сплошности, заключается в принудительном необратимом перемещении отдельных атомов или группы их, представляет собой сложнейший процесс, изучение и управление которым осложняется многими факторами.

Все без исключения технические металлы являются сплавами, содержащими в тех или иных количествах растворимые или нерастворимые примеси и характеризующимися неоднородностью структуры. Поэтому некоторые исследователи [25] отрицают возможность установления количественных закономерностей между напряжениями и деформациями в реальном неоднородном металле. В связи с этим в математической и прикладной теории пластичности отвлекаются от реального строения физически и химически неоднородного металла с изменяющимися в процессе деформации свойствами и рассматривают его как однородное тело. В результате ограничиваются лишь качественным изучением процессов, протекающих при деформации металлов, а численные зависимости получают в прикладной теории пластичности.

Сложность изучения процессов пластического деформирования металла обусловлена также тем, что при данных исходных механических свойствах величина сопротивления металла пластическому деформированию непрерывно изменяется одновременно с изменением механических свойств; изменения эти по своему характеру неоднородны. Поэтому при расчетах параметров режима обработки металлов давлением необходимо предварительно экспериментально устанавливать характерную для данного металла функциональную зависимость, связывающую его сопротивляемость пластическому деформированию с величиной деформации.

Механизм пластической деформации и процессы, протекающие при пластическом деформировании реального технического металла, зависят не только от строения и свойств металла, но также от температуры и скорости деформации. От этих же факторов зависят результаты обработки пластическим деформированием и, в частности, свойства деформированного металла.

В теории обработки металлов давлением под горячей деформацией понимают деформацию, производимую при температуре, превышающей температуру рекристаллизации. Деформацию, осуществляемую при температуре более низкой, чем температура рекристаллизации, называют холодной деформацией.

Поскольку температура рекристаллизации подавляющего большинства технических металлов значительно выше температуры окружающей среды, холодная деформация в производственных условиях почти во всех случаях осуществляется при температурах значительно более низких, чем температура рекристаллизации, разупрочнение металла не происходит, структура металла четко отражает все изменения, происходящие в ней в процессе деформации, а пространственная решетка получает искажения, которые приводят к росту внутренней потенциальной энергии. Для холодной деформации характерны следующие основные явления: сдвиговая деформация, изгибание пространственной решетки, двойникование, блокообразование и поворот блоков.

Сдвиговая деформация [25]. Многочисленные экспериментальные исследования и теориттические расчеты свидетельствуют о наличии при деформации металла линий скольжения, характеризующих сдвиги одних частей монокристалла или кристаллитов относительно других. В поликристалле сдвиговая деформация начинается сначала в кристаллитах, плоскости скольжения которых расположены под углом 45˚ к линии действия наибольшего главного напряжения. Но вследствие отклонений в строении реальной кристаллической решетки от идеальной возникает несоответствие. При идеальном строении кристаллов развитие пластической деформации можно представить как соскальзывание параллельных плоскостей одновременно по всей поверхности сдвига. Однако экспериментальные исследования показывают, что такое представление неточно. На самом деле [24] пластическая деформация зарождается в небольших объемах, и в ней одновременно участвует незначительное число атомов кристаллической решетки.

Двойникование [25]. Помимо скольжения внутри кристаллов при пластическом деформировании наблюдается одновременно скольжение – перемещение по системе атомных плоскостей на расстояние, не кратное межатомному, и поворот деформированной части кристалла в зеркальное положение по отношению к исходному – недеформированному. Такое явление называют двойникованием. Оно, как правило, наблюдается при динамических ударных воздействиях, сопровождается резким снижением скалывающих напряжений и во многих случаях свидетельствует о близком разрушении металла. Двойникование может сопутствовать скольжению.

Изгибание пространственной атомной решетки. Многими исследованиями [4], [14], [15], [23] установлено также, что в процессе пластической деформации среди зерен с ярко выраженной сдвиговой деформацией наблюдаются участки (полосы) с иным направлением, чем направление сдвига. Это изменение направления сдвига есть результат изгиба кристаллографических плоскостей сдвига. При пластическом деформировании зоны изгибания пространственной решетки возникают раньше, чем происходит перемещение по границам зерен.

Блокообразование и поворот блоков [24]. При малых скоростях пластическая деформация в начальной стадии может происходить за счет блокообразования, т.е. дробления зерен на отдельные блоки без нарушения сплошности металла и пространственной решетки внутри каждого отдельного блока. Одновременно с образованием блоков происходит их смещение – поворот. Возрастание пластической деформации в конечном счете приводит к дроблению кристаллита и распадения его на новые зерна. Причиной образования блоков является сложное смещение, изгиб плоскостей сдвига и превращение их в поверхности. Такая локализация деформации облегчает общую деформацию металла [24].

Таким образом, можно говорить об определенной последовательности явлений, протекающих в металле по мере возрастания пластической деформации: блокообразование и поворот блоков, сдвиг и изгиб пространственной решетки.

Из всех современных теорий, объясняющих природу пластической деформации и упрочнения металлов, общепризнанной и наиболее достоверной в настоящее время является дислокационная теория [23]. В современных дислокационных теориях рассматривается кристалл, который в исходном состоянии содержит большое число дислокаций, расположенных в виде пространственной сетки. Пластическая деформация представляется как процесс образования новых дислокаций и их движения по кристаллу. Условия работы источника дислокаций уточнены – существует минимальное напряжение, ниже которого источник не действует. Предел текучести металла определяется напряжениями, необходимыми как для действия источников, так и для преодоления движущейся дислокацией других препятствий, существующих в реальной кристаллической решетке (границы зерен и блоков, наличие примесей, взаимодействие между дислокациями), Дислокации от источников распространяются по кристаллу и выходят на поверхность или образуют группы заторможенных дислокаций. Скопление дислокаций увеличивает поле внутреннмх напряжений и встречные напряжения на источниках, противодействующие движению дислокаций и, тем самым, вызывающие упрочнение кристалла. Следовательно, для продолжения пластической деформации необходимо непрерывное повышение внешних напряжений.

Упрочнение происходит в результате упругого взаимодействия дислокаций. Наиболее сильное упрочнение имеет место при сравнительно небольших степенях деформации (20-30%). Твердость при этом возрастает приблизительно в два раза. Дальнейшая деформация сопровождается упрочнением, но со значительно меньшей интенсивностью.